(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いの摺動面同士を当接させた２つの摺動部材のうち、少なくとも一方の摺動部材の摺動面を緻密質からなる珪化物系セラミックスにより形成するとともに、
該セラミックスからなる摺動面を冷却して水分を付着させる冷却手段を具備したことを特徴とする摺動装置。
【請求項２】
前記冷却手段が、熱電子冷却素子と、該熱電子冷却素子の放熱面に取着されたヒ−トシンクとからなることを特徴とする請求項１に記載の摺動装置。
【請求項３】
前記珪化物系セラミックスからなる摺動面に付着する水分量を測定する水分検出手段を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の摺動装置。
【請求項４】
前記水分検出手段からの信号を基に、前記冷却手段を制御し、前記珪化物系セラミックスからなる摺動面に付着する水分量を７〜１５ｍｇ／ｃｍ2とすることを特徴とする請求項３に記載の摺動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直動すべり案内、ジャーナル軸受け、シールリング、あるいはレシプロ・ロータリー圧縮ポンプや汲み上げポンプの摺動部など、すべり摺動を利用した摺動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、摺動装置の摺動機構には、すべり摺動やころがり摺動を利用したものがあり、このうちすべり摺動を利用したものは、ころがり摺動を利用したものに比べて部品点数が少なく、構造設計が比較的容易で、負荷容量が高く耐久性に優れることから、直動すべり案内、ジャーナル軸受け、シールリング、あるいはレシプロ・ロータリー圧縮ポンプや汲み上げポンプの摺動部などに幅広く使用されている。
【０００３】
ただし、すべり摺動は、ころがり摺動に比べて摩擦係数が高く、ステイックスリップを起こしたり、高速摺動では焼き付きを起こすことが多いため、一般的には、互いの摺動面間に潤滑油を介した流体潤滑状態で使用されており、この場合、油溜まり等の潤滑油を供給循環させるための機構が必要で構造が複雑となり易く、また精密機器やクリ−ン環境下では周囲への汚染や廃油処理等の環境問題があった。
【０００４】
そこで、セラミックス中に固体潤滑剤等を含有させた摺動部材を用い、無潤滑状態ですべり摺動させる摺動装置が提案されている。
【０００５】
例えば、特公平４−１９４０５号公報や特公平５−１７１９４号公報には、多孔質セラミック体中に金属や樹脂等の潤滑材を含浸した摺動部材が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特公平４−１９４０５号公報や特公平５−１７１９４号公報に開示されている摺動部材を用いても、摩擦係数のオ−ダ−が流体潤滑状態に比べて１桁も大きく、滑らかな摺動特性を得ることができなかった。その為、この摺動装置をステージ装置等の大型摺動部に用いた場合、高速移動させるためには大きな動力源が必要となるとともに、振動が発生し易いものであった。
【０００７】
また、摺動部材を形成する基材が多孔質セラミックスからなるために剛性が低く、高荷重が加わるような箇所には用いることができず、また、摺動面には気孔が存在し、気孔のエッジが相手材との摺動によって摩耗し易いため、緻密質セラミックスからなる摺動部材と比較して寿命が短かった。
【０００８】
【発明の目的】
本発明の目的は、特別な潤滑手段を必要とせず、簡単な構造でころがり摺動レベルと同等あるいはそれ以上の小さな摩擦係数が得られ、かつ高荷重に対応可能なすべり摺動を利用した摺動装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は上記課題に鑑み、請求項１に係る発明は、互いの摺動面同士を当接させた２つの摺動部材のうち、少なくとも一方の摺動部材の摺動面を緻密質からなる珪化物系セラミックスにより形成するとともに、該セラミックスからなる摺動面を冷却して大気中の水分を付着させる冷却手段を設けて摺動装置を構成し、前記摺動面を形成するセラミックスと摺動面に付着する水分とのトライボケミカル反応による水和物の潤滑膜を形成するようにしたことを特徴とする。
【００１０】
請求項２に係る発明は、前記セラミックスを珪化物系セラミックスにより形成することで、トライボケミカル反応によりシリカ水和物の潤滑膜を形成し、摺動特性を高めたことを特徴とする。
【００１１】
請求項３に係る発明は、前記冷却手段を、熱電子冷却素子と、該熱電子冷却素子の放熱面に取着されたヒ−トシンクとから構成したことを特徴とする。
【００１２】
請求項４に係る発明は、前記セラミックスからなる摺動面に付着する水分量を測定する水分検出手段を設けたことを特徴とする。
【００１３】
請求項５に係る発明は、前記水分検出手段からの信号を基に、前記冷却手段を制御することで、前記セラミックスからなる摺動面に付着する水分量が７〜１５ｍｇ／ｃｍ2となるようにしたことを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００１５】
図１は本発明の摺動装置を備えるステージ装置を示す図で、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。
【００１６】
このステージ装置は、ベース１上に一体的に形成された２本のガイドレール２，４を有し、一方のガイドレール２には逆Ｖ字形状の摺動面３を備えるとともに、他方のガイドレール４にはフラット形状の摺動面５を備え、２本のガイドレール２，４は互いに所定の間隔をおいて平行に設置してある。
【００１７】
また、ベース１上にはステージ６を対向配置してあり、該ステージ６の下面には、前記ベース１上のガイドレート２と対をなし、逆Ｖ字形状の摺動面３と当接する逆Ｖ字形状の摺動面７と、前記ベース１上のガイドレール４と対をなし、フラット形状の摺動面５と当接するフラット形状の摺動面９を形成してあり、ステージ６側の摺動面７とベース１側の摺動面３とでＶ字型ガイド８を構成するとともに、ステージ６側の摺動面９とベース１側の摺動面５とで平型ガイド１０を構成し、これらＶ字型ガイド８及び平型ガイド１０に沿ってステージ６を直線的に案内するようになっている。
【００１８】
さらに、ベース１及びガイドレール２，４は緻密なセラミックスにより形成するとともに、ガイドレール２，４と対向するベース１下面に開口する凹部１ａには、冷却手段１１を設けてあり、該冷却手段１１は、各ガイドレール２，４の長手方向に沿って等間隔に設置してある。冷却手段１１は、熱電子冷却素子１２と、該熱電子冷却素子１２の放熱面に取着されたヒートシンク１３とからなり、熱電子冷却素子１２の吸熱側をベース１の凹部１ａ底面に当接させ、熱電子冷却素子１２に通電してセラミックスからなる摺動面３，５を冷却するようになっている。なお、１４はヒートシンク１３からの放熱性を強制的に高めるために設けたファンである。
【００１９】
ベース１及びガイドレール２，４を形成する緻密なセラミックスとしては、アルミナ、ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素等を主成分とするセラミックスを用いることができ、特に後述する理由により炭化珪素や窒化珪素等の珪化物系セラミックスを用いることが好ましい。
【００２０】
一方、ステージ６を形成する材質は特に限定するものではなく、樹脂、金属、セラミックスのいずれの材質を用いることもできるが、経時変化がなく、軽量、高剛性、耐摩耗性の点で優れるセラミックスにより形成することが好ましく、セラミックスにより形成する場合、ベース１及びガイドレール２，４と同様に、アルミナ、ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素等を主成分とする緻密なセラミックスを用いれば良い。
【００２１】
そして、このステージ装置を駆動させるには、まず、冷却手段１１の熱電子冷却素子１２に通電するとともに、ファン１４を回転させてセラミックスからなる摺動面３，５を強制的に冷却すると、大気中の水分が前記摺動面３，５に付着する。この状態でステージ６を不図示の駆動手段によって移動、案内させると、摺動時の摩擦によって摺動面３，５を形成するセラミックスと摺動面３，５に付着する水分とがトライボケミカル反応し、この反応による水和物の潤滑膜を、Ｖ字型ガイド８を構成するステージ６側の摺動面７とベース１側の摺動面３との間、及び平型ガイド１０を構成するステージ６側の摺動面９とベース１側の摺動面５との間にそれぞれ生成し、流体潤滑状態とすることができる。特に、摺動面３，５を形成するセラミックスとして、炭化珪素や窒化珪素等の珪化物系セラミックスを用いた場合、トライボケミカル反応によってシリカ水和物の潤滑膜を生成するのであるが、このシリカの水和物は、摺動面３，５がアルミナセラミックスにて形成されている場合に生成されるアルミナ水和物の潤滑膜より低摩擦化を実現でき、摩擦係数を０．０３程度まで低減することができる。
【００２２】
このように、本発明によれば、すべり摺動を形成する少なくとも一方の摺動面３，５をセラミックスにより形成するとともに、このセラミックスからなる摺動面３，５を冷却させて大気中の水分を吸着させる冷却手段１１を設け、摩擦によって摺動面３，５に吸着された水分と摺動面３，５を形成するセラミックスとをトライボケミカル反応させ、この反応による水和物の潤滑膜を生成させるようにしたことから、すべり摺動が持つ、部品点数が少なく、高荷重に対応可能であるといった優れた特性は維持したまま、従来のような油溜め等の特別な潤滑手段を設けることなく簡単な構造で、ころがり摺動レベルと同等あるいはそれ以上の低摩擦係数を実現することができ、ステージ６を小さな駆動力で滑らかに移動、案内させることができる。
【００２３】
ところで、このような効果を得るためには、セラミックスからなる摺動面３，５に吸着させる単位面積当たりの水分量が重要であり、５ｍｇ／ｃｍ2以上の水分を吸着させることが好ましい。即ち、摺動面３，５に吸着させる水分量が５ｍｇ／ｃｍ2未満であると、十分な水和物の潤滑膜を生成することができないからで、その結果、摩擦係数を低減することができず、ステイックスリップを起こしたり、高速摺動では焼き付きを起こすからである。ただし、水分量が多くなり過ぎると、潤滑膜が摺動面３，５から流れ落ち、漏電等を発生させる恐れがあり、特に１５ｍｇ／ｃｍ2を越えると顕著で、拭き取り等のメンテナンスが必要となるため好ましくない。その為、セラミックスからなる摺動面３，５に吸着させる水分量は５〜１５ｍｇ／ｃｍ2、好ましくは７〜１５ｍｇ／ｃｍ2とすることが良い。
【００２４】
なお、摺動面３，５に付着する水分量を測定するには、例えば水分を付着させる前後でベース１の重量を電子天秤等にて測定し、その差を水分量とすれば良い。
【００２５】
ただし、摺動面３，５に付着する水分量は、湿度や駆動条件などの影響を受け易く、水分量が前記範囲を外れると、ステイックスリップや焼き付きが発生したり、あるいは漏電等の恐れがある。
【００２６】
その為、ステージ装置の駆動中に湿度が変化したり、駆動条件が大きく変わる時には、図２に示すように、セラミックスからなる摺動面５に付着する水分量を測定する水分検出手段２１と、該水分検出手段２１からの信号を基に熱電子冷却素子１２による冷却の度合いを調整する制御部２２を設けるようにすれば良い。ここで、水分検出手段２１は、セラミックスからなるガイドレール４中に埋設され、その一部を摺動面５に露出させた２つの電極部材２１ａと、該電極部材２１ａ間の摺動面５における単位長さ当たりの抵抗値（以下、単に抵抗値と言う場合、単位長さ当たりの抵抗値を指すものとする。）を測定する検出部２１ｂとから構成したもので、摺動面５に付着する水分量によって電極部材２１ａ間の抵抗値が変化することに基づき水分量を測定するようにしたものである。
【００２７】
ただし、この抵抗値は、摺動面５を形成するセラミックスにより異なるため、本件発明者らが実験を繰り返した結果、摺動面５に付着する水分量を５ｍｇ／ｃｍ2以上とするには、摺動面５を形成するセラミックスが窒化珪素セラミックスである場合、抵抗値が４×１０8Ω／ｃｍ以下、摺動面５を形成するセラミックスが炭化珪素セラミックスである場合、抵抗値が２×１０3Ω／ｃｍ以下、摺動面５を形成するセラミックスがアルミナセラミックスである場合、抵抗値が４×１０8Ω／ｃｍ以下となるようにすれば良く、また、摺動面５に付着する水分量を７ｍｇ／ｃｍ2以上とするには、摺動面５を形成するセラミックスが窒化珪素セラミックスである場合、抵抗値が２×１０7Ω／ｃｍ以下、摺動面５を形成するセラミックスが炭化珪素セラミックスである場合、抵抗値が５×１０2Ω／ｃｍ以下、摺動面５を形成するセラミックスがアルミナセラミックスである場合、抵抗値が２×１０7Ω／ｃｍ以下となるようにすれば良く、さらに摺動面５に付着する水分量を１５ｍｇ／ｃｍ2以下とするには、摺動面５を形成するセラミックスが窒化珪素セラミックスである場合、抵抗値が１×１０4Ω／ｃｍ以上、摺動面５を形成するセラミックスが炭化珪素セラミックスである場合、抵抗値が１×１０2Ω／ｃｍ以上、摺動面５を形成するセラミックスがアルミナセラミックスである場合、抵抗値が１×１０4Ω／ｃｍ以上となるようにすれば良い。
【００２８】
かくして、湿度が低下したり、厳しい摺動条件によって摺動面５に付着する水分量が足りなくなった場合、摺動面５を形成するセラミックスに応じて、摺動面５上の水分量が５ｍｇ／ｃｍ2以上となる抵抗値となるまで、制御部２２より熱電子冷却素子１２への印加電力を高めれば良く、逆に摺動面５上の水分量が１５ｍｇ／ｃｍ2を越える抵抗値となった時には、水分量が多くなりすぎるため、制御部２２にて熱電子冷却素子１２への通電を止め、摺動面５への余分な水分の付着を防止するように制御部２２にて制御するようにすれば良い。
【００２９】
このように、水分検出手段２１及び制御部２２からなる水分量制御機構を設けることで、摺動面５に付着する水分量を測定、監視し、最適値に制御できるため、環境や使用条件が変化しても摺動面には常に一定量の水分量を存在させることができ、トライボケミカル反応による水和物の潤滑膜によって常に滑らかな摺動性を維持することができるとともに、無駄な電力消費を防ぐことができる。
【００３０】
なお、本実施形態では、冷却手段１１として、熱電子冷却素子１２とヒートシンク１３とからなるものを用いたが、ガイドレール２，４の内部に液冷配管を設け、その配管内に水や液体を循環させて、セラミックスからなる摺動面３，５を冷却するようにしても良く、摺動面３，５を冷却できるものであればどのような冷却手段を用いても構わない。また、水分検出手段２１も本実施例で示したものだけに限らず、例えば赤外線吸収湿度計を用いて吸湿状態を赤外線の吸収率で測定するようにしたり、露点計を用いて吸湿し始めるときの温度（露点）を測定するようにしても良い。さらに、本実施形態では、ガイドレール２，４を含むベース１全体をセラミックスにより形成した例を示したが、少なくとも摺動面がセラミックスで形成されていれば良い。
【００３１】
また、本実験形態は、本発明の摺動装置をステージ装置に用いた例を示したが、他にジャーナル軸受けやシールリング、あるいはレシプロ・ロータリー圧縮ポンプや汲み上げポンプの摺動部など、すべり摺動する装置に適用できることは言うまでもない。
【００３２】
【実施例】
（実施例１）
本発明の摺動装置における摺動特性を、図３に示す実験装置を用いて確認する実験を行った。
【００３３】
図３に示す実験装置は、回転するピン３０にディスク３１を押し付けるPIN-on-Disk型摩擦実験機で、ディスク３１は下方より空気圧にてピン３０に押し付けることができるようになっており、空気圧を変化させることで、押し付け荷重を５０Ｎまで変化させることができるとともに、ピン３０は０〜５００ｒｐｍの回転数で回転させることができるものを用いた。
【００３４】
ディスク３１の下面には、熱電子冷却素子３２の吸熱面を密着させるとともに、熱電子冷却素子３２の放熱面にはヒートシンク３３を取着して冷却手段を構成してあり、前記ヒートシンク３３の放熱性をファン３４にて強制的に高めるようにした。なお、熱電子冷却素子３２には、最大吸熱量が１０Ｗ、△Ｔ６０℃の特性を持ったものを用いるとともに、ピン３０及びディスク３１はいずれも窒化珪素セラミックスにより形成し、ピン３０は直径８ｍｍの円柱状体で、先端を曲面状とし、ディスク３１は外径が２００ｍｍの円盤状体としたものを用い、ピン３０及びディスク３１の摺動面をいずれもＲｙ＝０．０２μｍに仕上げた。
【００３５】
そして、湿度３０％、２５℃の環境下で、ディスク３１をピン３０に５Ｎの荷重で押圧させた状態でピン３０を回転させるとともに、熱電子冷却素子３２に通電してディスク３１の摺動面に付着させる水分量を制御し、水分量と摩擦係数との関係について測定した。
【００３６】
結果は図４に示す通りである。なお、摩擦係数は、ディスク３１を支持するフレーム３５に取り付けた軸３６を介してロードセル３７にて摩擦力を測定し、この摩擦力をピン３０との押し付け荷重で割ることで求め、ディスク３１の摺動面に付着する水分量は、小数点以下４桁まで測定できる電子天秤で水分付着前後におけるディスク３１の重量を測定し、その差を水分量とした。
【００３７】
この結果、ディスク３１の摺動面に付着する水分量が４ｍｇ／ｃｍ2までは摩擦係数に殆ど変化がなく、摺動面に水分がない０ｍｇ／ｃｍ2の時と同レベルで約０．７と摺動抵抗が大きいものであった。
【００３８】
これに対し、摺動面に付着する水分量が５ｍｇ／ｃｍ2を越えたあたりから、摩擦係数が徐々に低下し、７ｍｇ／ｃｍ2以上では０．０３まで小さくすることができ、これ以降は水分量が増加しても摩擦係数に変化は見られなかった。また、摺動試験を終えたディスク３１の摺動面に存在する潤滑膜をオージェ電子分光法にて測定したところ、シリカの水和物であった。
【００３９】
このように、冷却手段にてセラミックスからなるディスクの摺動面に水分を付着させ、その水分量を５ｍｇ／ｃｍ2以上とするとともに、トライボケミカル反応による水和物の潤滑膜を生成させることで、摩擦係数を小さくすることができ、水分量を７ｍｇ／ｃｍ2以上とすることで摩擦係数を極めて小さくできることが確認できた。
（実施例２）
次に、湿度３０％、２５℃の環境下で、図３に示すように、セラミックスからなるディスク３１中に、２つの電極部材３８を５ｍｍ幅で埋め込むとともに、これら電極部材３８間の摺動面における抵抗値を測定する検出部３９を設けて水分検出手段４０を構成するとともに、この水分検出手段４０からの信号を基に熱電子冷却素子３２による冷却の度合いを調整する制御部４１を設け、ピン３０を押し付けていない状態で、熱電子冷却素子３２に通電してセラミックスからなるディスクの摺動面に付着する水分量を異ならせ、水分量とその時の電極部材３８間における単位長さ当たりの抵抗値との関係について確認した。
【００４０】
この結果は図５に示すように、水分量と抵抗値との間には相関関係があることが判る。そして、ディスク３１が窒化珪素セラミックスからなる場合、抵抗値が４×１０8Ω／ｃｍの時、ディスク３１の摺動面に付着する水分量が５ｍｇ／ｃｍ2であり、また抵抗値が１×１０4Ω／ｃｍの時、水分量が１５ｍｇ／ｃｍ2であることが確認できた。
【００４１】
そこで、水分検出手段４０からの信号を基に、ディスク３１の摺動面に付着する水分量が７ｍｇ／ｃｍ2となるように制御部４１にて熱電子冷却素子３２への印加電圧を制御するクローズドループを構成し、ディスク３１をピン３０に押し付けてピン３０の速度を異ならせることにより駆動条件を変化させた時の摩擦係数の変化を確認する実験を行った。
【００４２】
なお、比較例として、実験前にディスク３１の摺動面に付着する水分量が７ｍｇ／ｃｍ2となるように調整し、水分検出手段４０等の水分制御機構を備えていない実験装置を用意し、同様に実験を行った。
【００４３】
結果は図６に示すように、水分制御機構を備えていない比較例の実験装置では、速度が上がるにつれて摩擦係数が上昇した。さらに速度が上がると潤滑膜を形成する水分量が不足し、全く水分がない状態の時の摩擦係数とほぼ同じ約０．８程度となった。このように速度が変化して水分量が不足すると、摩擦係数を安定させることが難しく、速度変化が少ない場合に低摩擦を維持することができた。
【００４４】
これに対し、水分制御機構を備えた実験装置は、速度が変動しても摩擦係数は常に一定に保たれていた。
【００４５】
このように、摺動条件が変化する場合、水分制御機構を備えた実験装置を用いれば、予めディスク３１を形成するセラミックスの種類と、水分検出手段４０による抵抗値の関係を確認しておくことで、常に最適な量の潤滑膜を生成させることができ、滑らかな摺動性を長期間にわたって維持できることが確認できた。
【００４６】
なお、本実施例では、ディスク３１を形成するセラミックスに窒化珪素を用いた例についてのみ示したが、炭化珪素を用いれば摩擦係数を０．０２にまで低減でき、窒化珪素よりさらに低摩擦化を実現することができた。
【００４７】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、互いの摺動面同士を当接させた２つの摺動部材のうち、少なくとも一方の摺動部材の摺動面をセラミックスにより形成するとともに、該セラミックスからなる摺動面を冷却して大気中の水分を付着させる冷却手段を設けて摺動装置を構成し、前記セラミックスからなる摺動面にトライボケミカル反応による水和物の潤滑膜を形成するようにしたことから、すべり摺動が持つ、部品点数が少なく、高荷重に対応可能であるといった優れた特性は維持したまま、従来のような油溜め等の特別な潤滑手段を設けることなく簡単な構造で、ころがり摺動レベルと同等あるいはそれ以上の優れた摩擦係数を得ることができる。
【００４８】
また、本発明によれば、前記摺動面を形成するセラミックスに珪化物系セラミックスを用いたことから、０．０３以下の摩擦係数を実現することができる。
【００４９】
さらに、本発明によれば、前記冷却手段として、熱電子冷却素子と、該熱電子冷却素子の放熱面に取着されたヒ−トシンクとから構成したことから、簡単な構造でセラミックスからなる摺動面を効果的に冷却して水分を吸着させ、トライボケミカル反応による水和物の潤滑膜を生成することができる。
【００５０】
また、本発明によれば、前記セラミックスからなる摺動面に付着する水分量を測定する水分検出手段を設けるとともに、該水分検出手段からの信号をもとに、前記冷却手段を制御することで、セラミックスからなる摺動面に付着する水分量が７〜１５ｍｇ／ｃｍ2となるようにしたことから、摺動時に湿度や摺動条件が変化しても常に最適な潤滑膜を生成させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の摺動装置を備えるステージ装置を示す図で、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。
【図２】本発明の他の摺動装置を備えるステージ装置を示す縦断面図である。
【図３】実験装置を示す概略図である。
【図４】セラミックスからなる摺動面に付着する水分量と摩擦係数との関係を示すグラフである。
【図５】セラミックスからなる摺動面に付着する水分量と水分検出手段にて測定した単位長さ当たりの抵抗値との関係を示すグラフである。
【図６】水分制御機構を備えた実験装置と水分制御機構を備えていない実験装置における摺動条件と摩擦係数との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１：ベース  ２：ガイドレール  ３：逆Ｖ字形状の摺動面  ４：ガイドレール
５：フラット形状の摺動面  ６：ステージ  ７：逆Ｖ字形状の摺動面
８：Ｖ字型ガイド  ９：フラット形状の摺動面  １０：平型ガイド
１１：冷却手段  １２：熱電子冷却手段  １３：ヒートシンク  １４：ファン
【図１】
0004535534.tif 000002
【図２】
0004535534.tif 000003
【図３】
0004535534.tif 000004
【図４】
0004535534.tif 000005
【図５】
0004535534.tif 000006
【図６】
0004535534.tif 000007